【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】隨著5G通信的全面部署和6G技術(shù)的逐步推進(jìn)，全球通信領(lǐng)域正面臨著前所未有的技術(shù)挑戰(zhàn)。高頻段、大帶寬、低延遲成為新一代通信系統(tǒng)的核心需求，而傳統(tǒng)射頻濾波器已逐漸難以滿足這些嚴(yán)苛要求。
在這一背景下，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的科研團(tuán)隊(duì)基于單晶氮化鋁和摻鈧氮化鋁壓電材料，在面向未來(lái)通信的高頻器件、可重構(gòu)濾波器及新型傳感技術(shù)方面取得突破性進(jìn)展。
這些研究成果不僅為5G/6G通信提供了關(guān)鍵器件支持，更為我國(guó)在新一代通信技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)了有利位置。
技術(shù)核心突破
研究團(tuán)隊(duì)在單晶氮化鋁射頻濾波器領(lǐng)域的突破體現(xiàn)在多個(gè)維度。首先是在高頻與大帶寬技術(shù)上的重要進(jìn)展，面對(duì)5G及未來(lái)6G/衛(wèi)星通信對(duì)高頻濾波器的嚴(yán)苛要求，團(tuán)隊(duì)持續(xù)深耕相關(guān)技術(shù)。
2024年，研究團(tuán)隊(duì)提出新型兩步法提升摻鈧氮化鋁壓電薄膜的外延質(zhì)量，成功研制出諧振頻率4.39GHz、有效機(jī)電耦合系數(shù)高達(dá)21%的摻鈧氮化鋁體聲波諧振器，并實(shí)現(xiàn)了3dB帶寬高達(dá)9.0%的射頻濾波器。
同時(shí)，團(tuán)隊(duì)攻克了周期極化疊層氮化鋁的生長(zhǎng)難題，成功將單晶氮化鋁諧振器的工作頻率推高至14GHz，并通過高鈧摻雜實(shí)現(xiàn)了高達(dá)9.7%的有效機(jī)電耦合系數(shù)。
今年，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步優(yōu)化工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過構(gòu)建周期極化氮化鋁/氮化鋁及氮化鋁/摻鈧氮化鋁壓電疊層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了14.0-16.8GHz的超高頻射頻諧振器。
其中，氮化鋁/氮化鋁固態(tài)裝配型諧振器諧振頻率為14.0GHz，品質(zhì)因子達(dá)到266；氮化鋁/摻鈧氮化鋁薄膜體聲波諧振器的品質(zhì)因子達(dá)到186，有效機(jī)電耦合系數(shù)為7.27%。
創(chuàng)新應(yīng)用方向
在技術(shù)突破的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)還開拓了多個(gè)創(chuàng)新應(yīng)用方向。隨著5G、Wi-Fi7與衛(wèi)星通信的加速融合，通信頻段日益多樣化，團(tuán)隊(duì)充分利用摻鈧氮化鋁材料獨(dú)特的鐵電極化翻轉(zhuǎn)特性。
研究團(tuán)隊(duì)展示了基于周期極化結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)薄膜體聲波諧振器濾波器，通過施加納秒級(jí)電壓脈沖原位翻轉(zhuǎn)摻鈧氮化鋁薄膜的極化方向，實(shí)現(xiàn)了器件工作頻率在6GHz與14GHz之間的動(dòng)態(tài)頻率重構(gòu)。
更值得關(guān)注的是，團(tuán)隊(duì)提出了動(dòng)態(tài)波形調(diào)制技術(shù)，成功穩(wěn)定了薄膜的中間極化態(tài)，實(shí)現(xiàn)了器件從“二元開關(guān)”向“多態(tài)調(diào)控”的跨越。這項(xiàng)技術(shù)有望取代由多顆開關(guān)與濾波器組成的復(fù)雜前端架構(gòu)，顯著降低多頻段射頻前端模組芯片的體積與成本。
這一突破意味著未來(lái)的通信設(shè)備可能不再需要為每個(gè)頻段配備獨(dú)立的濾波器，而是通過一個(gè)可重構(gòu)濾波器實(shí)現(xiàn)多頻段覆蓋，大大簡(jiǎn)化了射頻前端設(shè)計(jì)。
跨界技術(shù)融合
研究團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新不僅限于通信領(lǐng)域，還通過跨界技術(shù)融合拓展了單晶氮化鋁的應(yīng)用邊界。針對(duì)傳統(tǒng)磁場(chǎng)傳感器在頻率、靈敏度、帶寬及集成度方面的限制，團(tuán)隊(duì)聯(lián)合上海科技大學(xué)，通過將鐵磁性坡莫合金電極集成至單晶氮化鋁體聲波諧振器中。
開發(fā)出一種基于磁聲耦合機(jī)制的新型高頻磁場(chǎng)傳感器，該器件在6.7GHz的高工作頻率下，于±1.52kOe磁場(chǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了57.61Hz/Oe的磁場(chǎng)靈敏度，兼具高頻、微型化和高可靠性等優(yōu)勢(shì)。
這一成果為磁場(chǎng)檢測(cè)、精密傳感及高集成的MEMS器件發(fā)展提供了新的技術(shù)路徑，并獲得了2025年IEEE國(guó)際超聲研討會(huì)最佳學(xué)生海報(bào)獎(jiǎng)。
此外，團(tuán)隊(duì)還針對(duì)超薄氮化鋁薄膜在壓電系數(shù)表征中易出現(xiàn)電場(chǎng)分布不均、測(cè)量誤差較大等難題，提出了結(jié)合超薄電極的壓電力顯微鏡階梯電壓表征方法。
這一方法顯著提升了超薄薄膜縱向壓電系數(shù)測(cè)量的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)100nm超薄氮化鋁及周期極化氮化鋁疊層壓電系數(shù)的精確測(cè)量，為高頻諧振器中關(guān)鍵壓電材料的精確表征提供了重要技術(shù)支撐。
未來(lái)前景
這項(xiàng)系列研究的背后，是中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所俞文杰研究員、母志強(qiáng)研究員團(tuán)隊(duì)的長(zhǎng)期堅(jiān)守。他們打通了高質(zhì)量氮化鋁材料生長(zhǎng)、器件設(shè)計(jì)與工藝集成全鏈條。
通過探索高頻高性能濾波器、可重構(gòu)射頻濾波器及新型微納傳感等系列方向，為5G-A及6G通信中“高頻、寬帶、小尺寸、可調(diào)諧”等核心需求提供了極具競(jìng)爭(zhēng)力的潛在解決方案。
隨著這些技術(shù)逐步從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化，我們可能會(huì)在不久的將來(lái)看到更輕薄、性能更強(qiáng)大的智能手機(jī)，以及能夠無(wú)縫切換地面和衛(wèi)星通信的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。
這項(xiàng)技術(shù)的突破不僅推動(dòng)了通信行業(yè)的發(fā)展，也為精密傳感、醫(yī)療設(shè)備等多個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)了新的可能性，展現(xiàn)了單晶氮化鋁壓電薄膜在下一代無(wú)線通信與感知系統(tǒng)中的巨大潛力。
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